引 言
眾所周知，移動(dòng)通信是在20世紀(jì)80年代開始發(fā)展起來的，是充滿生機(jī)的一種
現(xiàn)代通信業(yè)務(wù)。在短短的20年間，技術(shù)上已經(jīng)走過了二代的經(jīng)歷，即80年代的第
一代模擬技術(shù)和90年代的第二代窄帶數(shù)字技術(shù)。近些年來，隨著無線通信寬帶化
技術(shù)的突破，移動(dòng)通信正在向以CDMA為基礎(chǔ)，以寬帶化通信為特征的第三代3G技
術(shù)發(fā)展。目前，國際電聯(lián)接受的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)主要有3個(gè)，即美國提出
的CDMA2000，歐洲和日本提出的WCDMA和我國提出的TD-SCDMA(時(shí)分同步的碼分多
址技術(shù))。他們除了頻譜利用率高、覆蓋范圍廣、性能好、可以適應(yīng)寬帶多媒體通
信要求等共同特點(diǎn)外，還有自身的技術(shù)特點(diǎn)。 TD-SCDMA技術(shù)是中國在其通信史上
第一次提出并被廣泛認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn)，是世界上惟一的TDD模式的3G標(biāo)準(zhǔn)，將獨(dú)自
享有ITU為TDD模式所分配的3G頻率。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)所具備的技術(shù)優(yōu)勢恰恰符合了
中國國情現(xiàn)狀發(fā)展第三代移動(dòng)通信的要求，是建設(shè)中國3G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最佳方案。
2 TD-SCDMA系統(tǒng)
大唐電信集團(tuán)開發(fā)的TD-SCDMA系統(tǒng)采用時(shí)分雙工(TDD)，TDMA／CDMA多址方式
工作，基于同步CDMA、智能天線、多用戶檢測(JD)、正交可變擴(kuò)頻系數(shù)、Turbo編
碼技術(shù)、CDMA等新技術(shù)，工作于2 010～2 025 MHz。TD-SCDMA的主要優(yōu)勢有：
(1)使用智能天線、多用戶檢測、CDMA等新技術(shù)。
(2)可高效率地滿足不對稱業(yè)務(wù)需要。
(3)簡化硬件，可降低產(chǎn)品成本和價(jià)格。
(4)便于利用不對稱的頻譜資源，頻譜利用率大大提高。
(5)可與第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)兼容。
該系統(tǒng)基于GSM網(wǎng)絡(luò)，使用現(xiàn)有的MSC，對BSC只進(jìn)行軟件修改，使用GPRS技術(shù)
，他可以通過A接口直接連接到現(xiàn)有的GSM移動(dòng)交換機(jī)，支持基本業(yè)務(wù)，通過Gb接
口支持?jǐn)?shù)據(jù)包交換業(yè)務(wù)。
3 智能天線技術(shù)
自適應(yīng)天線波束賦形技術(shù)在20世紀(jì)60年代就開始發(fā)展，其研究對象是雷達(dá)天
線陣，目的是提高雷達(dá)的性能和電子對抗的能力。而其真正的發(fā)展是在90年代初
，隨著微計(jì)算器和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP芯片的處理能力日益提高，
且價(jià)格也逐漸能夠?yàn)榭蒲泻蜕�產(chǎn)所接受，這樣也就促進(jìn)了自適應(yīng)天線波束賦形技
術(shù)的發(fā)展，但其發(fā)展也是從雷達(dá)開始的。另外，移動(dòng)通信頻譜資源日益緊張，如
何消除多址干擾(MAI)、共信道干擾(CCI)以及多徑衰落的影響成為提高移動(dòng)通信
系統(tǒng)性能時(shí)要考慮的主要因素。而用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，選擇合適的自適應(yīng)
算法，動(dòng)態(tài)形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣對準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，
旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)并抵消或最
大程度的抑制干擾信號(hào)的目的。因此，固定的天線陣列與數(shù)字信號(hào)處理器的結(jié)合
，就構(gòu)成了可以動(dòng)態(tài)配置天線特性的智能天線，所以到90年代中期，在美國和中
國開始考慮將智能天線技術(shù)使用于無線通信系統(tǒng)。在1997年，北京信威通信技術(shù)
公司開發(fā)成功使用智能天線技術(shù)的SCDMA無線用戶環(huán)路系統(tǒng)，美國Redcom公司則在
時(shí)分多址的PHS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了智能天線。以上是最先商用化的智能天線系統(tǒng)，同時(shí)
，在國內(nèi)外眾多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)內(nèi)也廣泛研究了多種智能天線的波束形成算法和
實(shí)現(xiàn)方案。
3．1 智能天線的概念
智能天線也叫自適應(yīng)天線，由多個(gè)天線單元組成，每一個(gè)天線后接一個(gè)復(fù)數(shù)
加權(quán)器，最后用相加器進(jìn)行合并輸出。這種結(jié)構(gòu)的智能天線只能完成空域處理，
同時(shí)具有空域、時(shí)域處理能力的智能天線在結(jié)構(gòu)上相對復(fù)雜些，每個(gè)天線后接的
是一個(gè)延時(shí)抽頭加權(quán)網(wǎng)絡(luò)(結(jié)構(gòu)上與時(shí)域FIR均衡器相同)。自適應(yīng)或智能的主要含
義是指這些加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應(yīng)算法進(jìn)行自適應(yīng)更新調(diào)整。
智能天線的基本思想是：天線以多個(gè)高增益窄波束動(dòng)態(tài)地跟蹤多個(gè)期望用戶
，接收模式下，來自窄波束之外的信號(hào)被抑制，發(fā)射模式下，能使期望用戶接收
的信號(hào)功率最大，同時(shí)使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。智
能天線是利用用戶空間位置的不同來區(qū)分不同用戶。不同于傳統(tǒng)的頻分多址
(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)或碼分多址(CDMA)，智能天線引入第4種多址方式：空分
多址(SDMA)。即在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，仍然可以根據(jù)信
號(hào)不同的中間傳播路徑而區(qū)分。SDMA是一種信道增容方式，與其他多址方式完全
兼容，從而可實(shí)現(xiàn)組合的多址方式，例如空分一碼分多址(SD-CDMA)。智能天線與
傳統(tǒng)天線概念有本質(zhì)的區(qū)別，其理論支撐是信號(hào)統(tǒng)計(jì)檢測與估計(jì)理論、信號(hào)處理
及最優(yōu)控制理論，其技術(shù)基礎(chǔ)是自適應(yīng)天線和高分辨陣列信號(hào)處理。
3．2 智能天線的自適應(yīng)算法
自適應(yīng)算法是智能天線研究的核心，一般分為非盲算法和盲算法兩類。
(1)非盲算法 是指需要借助參考信號(hào)(導(dǎo)頻序列或?qū)ьl信道)的算法，此時(shí)收
端知道發(fā)送的是什么，按一定準(zhǔn)則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，使智能天線輸出與已知
輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準(zhǔn)則有MMSE(最小均方誤差)、LMS(最小均方)和LS(最
小二乘)等。
(2)盲算法 無需發(fā)端傳送已知的導(dǎo)頻信號(hào)，他一般利用調(diào)制信號(hào)本身固有的
、與具體承載的信息比特?zé)o關(guān)的一些特征，如恒模、子空間、有限符號(hào)集、循環(huán)
平穩(wěn)等，并調(diào)整權(quán)值以使輸出滿足這種特性，常見的是各種基于梯度的使用不同
約束量的算法。 非盲算法相對盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但
需浪費(fèi)一定的系統(tǒng)資源。將二者結(jié)合產(chǎn)生一種半盲算法，即先用非
盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整，這樣做可綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，
同時(shí)也與實(shí)際的通信系統(tǒng)相一致，因?yàn)橥ǔ��?dǎo)頻符不會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)送而是與對應(yīng)的業(yè)
務(wù)信道時(shí)分復(fù)用的。
3．3 智能天線的波束形成
波束賦形的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對基帶信號(hào)的最佳組合與分配。
具體說，波束賦形的主要任務(wù)就是補(bǔ)償無線傳播過程中由空間損耗和多徑效應(yīng)等
引起的信號(hào)衰落與失真，同時(shí)降低用戶間的共信道干擾。智能天線均采用數(shù)字方
法實(shí)現(xiàn)波束形成，即數(shù)字波束形成(DBF)天線，從而可以使用軟件設(shè)計(jì)完成自適應(yīng)
算法更新，在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下增加系統(tǒng)的靈活性。DBF對陣元接收信
號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和處理形成天線波束，主波束對準(zhǔn)期望用戶方向，而將波束零點(diǎn)對
準(zhǔn)干擾方向。根據(jù)波束形成的不同過程，實(shí)現(xiàn)智能天線的方式又分為兩種：陣元
空間處理方式和波束空間處理方式。
(1)陣元空間處理方式 直接對各陣元按收信號(hào)采樣進(jìn)行加權(quán)求和處理后，形
成陣列輸出，使陣列方向圖主瓣對準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向。由于各個(gè)陣元均參與自
適應(yīng)加權(quán)調(diào)整，這種方式屬于全自適應(yīng)陣列處理。
(2)波束空間處理方式 這是當(dāng)前自適應(yīng)陣列處理技術(shù)的發(fā)展方向。他實(shí)際上
是兩級(jí)處理過程，第一級(jí)對各陣元信號(hào)進(jìn)行固定加權(quán)求和，形成多個(gè)指向不同方
向的波速率；第二級(jí)對第一級(jí)的波束輸出進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整后合成得到陣列輸
出，此方案不是對全部陣元都從整體最優(yōu)計(jì)算加權(quán)系數(shù)作自適應(yīng)處理，而是僅對
其中的部分陣元作自適應(yīng)處理，因此，屬于部分自適應(yīng)陣列處理。這種結(jié)構(gòu)的特
點(diǎn)是計(jì)算量小，收斂快，并且具有良好的波束賦形性能。
4 智能天線在TD-SCDMA中的應(yīng)用
智能天線的布陣方式一般有直線陣、圓陣和平面陣，陣元間距l(xiāng)／2波長(若陣
元間距過大會(huì)使接收信號(hào)彼此相關(guān)程度降低，太小則會(huì)在方向圖形成不必要的柵
瓣，故一般取半波長)。智能天線采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)判斷用戶信號(hào)到達(dá)方向(
即DOA估計(jì))，并在此方向形成天線主波束，他根據(jù)用戶信號(hào)的不同空間傳輸方向
提供不同的信道，等同于有線傳輸時(shí)的線纜，從而可以有效的抑制干擾。
考慮到軟件無線電系統(tǒng)要求在中頻進(jìn)行采樣，然后用軟件完成中頻處理。每
秒幾十兆的采樣速率要求DSP必須有足夠快的速度完成操作。但是粗略的計(jì)算表明
，即使采用最快的器件，在DSP上用軟件實(shí)現(xiàn)下變頻功能還是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)镈SP
只能完成基帶處理的功能。一個(gè)比較實(shí)用的方案是采用專業(yè)的可編程邏輯器件來
完成高速的濾波和處理，以減輕DSP的壓力。由于實(shí)時(shí)處理時(shí)對處理速度的需求很
高，僅靠單DSP系統(tǒng)性能的提高已經(jīng)不能滿足要求。而并行通用浮點(diǎn)DSP將片間并
行功能集成在單片DSP內(nèi)部，可以獲得很高的并行處理能力和并行效率，因此在實(shí)
際系統(tǒng)中都是采用并行DSP陣列來提高處理能力。理論上，N個(gè)DSP并行可以提供N
倍的處理能力，但在實(shí)際系統(tǒng)中必須在算法設(shè)計(jì)上付出很大的代價(jià)。一個(gè)好的算
法應(yīng)該能夠盡量并行而且適合多個(gè)DSP同時(shí)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還要使得處理器之間的數(shù)據(jù)
交換應(yīng)盡可能少和盡可能快。
智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位
關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時(shí)獲取基站和移動(dòng)臺(tái)之間各個(gè)鏈路的
方向特性。TD-SCDMA智能天線的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的
對稱性(無線環(huán)境和傳輸條件相同)而獲得的。此外，智能天線可減少小區(qū)間干擾
也可減少小區(qū)內(nèi)干擾。智能天線的這些特性可顯著提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率
。具體而言，TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個(gè)天線單元的同心陣列組成的，直徑
為25cm。同全方向天線相比，他可獲得8dB的增益。其原理是使一組天線和對應(yīng)的
收發(fā)信機(jī)按照一定的方式排列和激勵(lì)，利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻
射方向圖，使用DSP方法使主瓣自適應(yīng)地指向移動(dòng)臺(tái)方向，就可達(dá)到提高信號(hào)的載
干比，降低發(fā)射功率等目的。智能天線的上述性能允許更為密集的頻率復(fù)用，使
頻譜效率得以顯著地提高。
由于每個(gè)用戶在小區(qū)內(nèi)的位置都是不同的。這一方面要求天線具有多向性，
另一方面則要求在每一獨(dú)立的方向上，系統(tǒng)都可以跟蹤個(gè)別的用戶。通過DSP控制
用戶的方向測量使上述要求可以實(shí)現(xiàn)。每用戶的跟蹤通過到達(dá)角進(jìn)行測量，在TD
-SCDMA系統(tǒng)中，由于無線子幀的長度是5ms，則至少每秒可測量200次，每個(gè)用戶
的上下行傳輸發(fā)生在相同的方向，通過智能天線的方向性和跟蹤性，可獲得其最
佳的性能。
TDD模式的TD-SCDMA的進(jìn)一步的優(yōu)勢是用戶信號(hào)的發(fā)送和接收都發(fā)生在完全相
同的頻率上。因此在上行和下行2個(gè)方向中的傳輸條件是相同的或者說是對稱的，
使得智能天線能將小區(qū)間干擾降至最低，從而獲得最佳的系統(tǒng)性能。
通過智能天線獲得的較高的頻譜利用率，使高業(yè)務(wù)密度城市和城區(qū)所要求的
基站數(shù)量相應(yīng)地變得較低。此外，在業(yè)務(wù)量稀少的鄉(xiāng)村，智能天線的方向性可使
無線覆蓋范圍增加1倍。無線覆蓋范圍的增長使得在主要業(yè)務(wù)覆蓋的寬廣地區(qū)所需
的基站數(shù)量降至通常情況的1／4。
5 使用智能天線的有關(guān)問題
智能天線的主要作用是：降低多址干擾，提高CDMA系統(tǒng)容量，增加接收靈敏
度和發(fā)射EIRP；但是智能天線所不能克服的問題如：時(shí)延超過碼片寬度的多徑干
擾，多普勒效應(yīng)(高速移動(dòng))。因而，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，智能天線必須和其他信
號(hào)處理技術(shù)同時(shí)使用。
智能天線技術(shù)對無線通信，特別是CDMA系統(tǒng)的性能提高和成本下降都有巨大
的好處。但是，在將智能天線用于CDMA系統(tǒng)時(shí)，必將考慮所帶來的問題，并在標(biāo)
準(zhǔn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)上解決這些問題。
(1)全向波束和賦形波束
& nbsp;上述智能天線的功能主要是由自適應(yīng)的發(fā)射和接收波束賦形來實(shí)現(xiàn)的
。而且，接收和發(fā)射波束賦形是依據(jù)基站天線幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的要求和所接收到
的用戶信號(hào)。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，智能天線對每個(gè)用戶的上行信號(hào)均采用賦形波
束，提高系統(tǒng)性能是非常直接的；但在用戶沒有發(fā)射、僅處于接收狀態(tài)下，又是
在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)(空閑狀態(tài))，基站不可能知道該用戶所處的方位，只
能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射(如系統(tǒng)中的Pilot、同步、廣播、尋呼等物理信道)。一
個(gè)全向覆蓋的基站，其不同碼道的發(fā)射波束是不同的，即基站必須能提供全向和
定向的賦形波束，這樣一來，對全向信道來說，將要求高得多的發(fā)射功率(最大可
能為比專用信道高101gNdB)，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的。
(2)共享下行信道及不連續(xù)發(fā)射
在提供IP型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，均設(shè)計(jì)了多用戶共享的上下行信道
并在基站和用戶終端使用不連續(xù)發(fā)射技術(shù)。在使用智能天線的基站中，由于用戶
移動(dòng)，基站不可能知道用戶的位置，故一般只能采用全向下行波束。此外，也可
以增加一次接人過程，對每個(gè)用戶進(jìn)行定向發(fā)射。這兩種方式各有優(yōu)點(diǎn)，均可使
用。
(3)智能天線的校準(zhǔn)
在使用智能天線時(shí)，必須具有對智能天線進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)的技術(shù)。在TDD系
統(tǒng)中使用智能天線時(shí)是根據(jù)電磁場理論中的互易原理，直接利用上行波束賦形系
數(shù)來進(jìn)行下行波束賦形。但對實(shí)際無線基站，每一條通路的無線收發(fā)信機(jī)不可能
是完全相同的，而且，其性能將隨時(shí)期、工作電子和環(huán)境條件等因素變化。如果
不進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)，則下行波束賦形將受嚴(yán)重影響。這樣，不僅得不到智能天
線的優(yōu)勢，甚至完全不能通信。
(4)幀結(jié)構(gòu)及有關(guān)物理層技術(shù)
使用智能天線，對移動(dòng)通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)并不提出特別的要求。而且，
基本的物理層技術(shù)，如調(diào)制解調(diào)、擴(kuò)頻、信道編碼、交織、糾錯(cuò)、數(shù)據(jù)復(fù)接等，
與不使用智能天線是完全一樣的。但是使用了智能天線，可以將物理層的效率設(shè)
計(jì)得更高。例如在TD-SCDMA建議的系統(tǒng)中，使用了同步CDMA技術(shù)，簡化了接收機(jī)
；在物理層時(shí)隙設(shè)計(jì)中使用了特定的上下行Pilot時(shí)隙，減少了小區(qū)搜索及隨機(jī)接
人時(shí)的干擾等，都使智能天線的功能得以充分發(fā)揮。
(5)智能天線和其他抗干擾技術(shù)的結(jié)合
目前，在智能天線算法的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的可能性之間必須進(jìn)行折中。這
樣，實(shí)用的智能天線算法還不能解決時(shí)延超過一個(gè)碼片寬度的多徑干擾，也無法
克服高速移動(dòng)多普勒效應(yīng)造成的信道惡化。在多徑嚴(yán)重的高速移動(dòng)環(huán)境下，必須
將智能天線和其他抗干擾的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合使用，才可能達(dá)到最佳的效果
。這些數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)包括聯(lián)合檢測(Jointdetection)、干擾抵消及Rake接收
等。目前，智能天線和聯(lián)合檢測或干擾抵消的結(jié)合已有實(shí)用的算法，而和Rake接
收機(jī)的結(jié)合算法還在研究中。
(6)波束賦形的速度問題
必須注意的是，由于用戶終端的移動(dòng)性，移動(dòng)通信是一個(gè)時(shí)變的信道，智能
天線是由接收信號(hào)來對上下行波束賦形，故要求TDD的周期不能太長。例如當(dāng)用戶
終端的移動(dòng)速度達(dá)到100km／h時(shí)，其多普勒頻移接近200 Hz，用戶終端在10ms內(nèi)
的位置變化達(dá)到28cm，在2GHz頻段已超過一個(gè)波長，對下行波束賦形將帶來巨大
的誤差。故希望將TDD周期至少縮短一半，使收發(fā)之間的間隔控制在2～3ms內(nèi)，以
保證智能天線的正常工作。如果要求此系統(tǒng)的終端能以更高的速度移動(dòng)，則TDD上
下行轉(zhuǎn)換周期還要進(jìn)一步縮短。
(7)設(shè)備復(fù)雜性的考慮
顯然，智能天線的性能將隨著天線陣元數(shù)目的增加而增加。但是增加天線陣
元的數(shù)量，又將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。此復(fù)雜性主要是基帶數(shù)字信號(hào)處理的量將成
幾何級(jí)數(shù)遞增�，F(xiàn)在，CDMA系統(tǒng)在向?qū)拵Х较虬l(fā)展，碼片速率已經(jīng)很高，基帶處
理的復(fù)雜性已對微電子技術(shù)提出了越來越高的要求，這就限制了天線元的數(shù)量不
可能太多。按目前的水平，天線元的數(shù)量在6～16之間。
6 結(jié) 語
TD-SCDMA中智能天線的應(yīng)用是高經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，可降低運(yùn)營商投
資和提高其經(jīng)濟(jì)收益。智能天線技術(shù)帶給第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的優(yōu)勢是其他技術(shù)
都難以取代的，但是隨著他的應(yīng)用也會(huì)產(chǎn)生一些新的問題。而且智能天線技術(shù)未
來將向著數(shù)字化、集成化，適合寬帶高速傳輸并能抑制更多個(gè)干擾的方向發(fā)展。
智能天線技術(shù)不僅可以使用在TDD系統(tǒng)中，也完全可以使用到FDD系統(tǒng)中，目前，
國際上已經(jīng)將智能天線技術(shù)作為三代以后移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。所
以，帶有智能天線、聯(lián)合檢測和具有對稱和非對稱業(yè)務(wù)的自適應(yīng)無線資源分配能
力的TD-SCDMA技術(shù)的先進(jìn)設(shè)計(jì)是邁向個(gè)人通信的重要的一步。